Thực vật cần đủ chất dinh dưỡng để phát triển và những chất dinh dưỡng này cần được bón theo đúng tỷ lệ. Quá nhiều hoặc không đủ một hoặc một số chất dinh dưỡng có thể cản trở sự phát triển của cây.
Hình 1. Tỉ lệ Nitrat và Amoni ảnh hưởng tới năng suất cà chua
Đôi khi tốc độ tăng trưởng giảm không phải do thiếu nguyên tố được đề cập, mà là do các yếu tố môi trường có thể đóng một vai trò quan trọng hơn. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cụ thể ảnh hưởng của tỷ lệ amoni / nitrat và ảnh hưởng của nó đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng cuối cùng và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH vùng rễ và vi khuẩn trong đất có thể làm thay đổi tính sẵn có của amoni và nitrat .
Nitơ là thành phần cấu tạo của axit amin, protein, enzym và chất diệp lục. Thực vật có thể hấp thụ nitơ dưới dạng nitrat (NO3-) hoặc amoni (NH4 +), và do đó, tổng lượng nitơ hấp thụ thường bao gồm sự kết hợp của hai dạng này. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi tỷ lệ giữa hai dạng nitơ này rất có ý nghĩa và ảnh hưởng đến cả cây trồng và môi trường.
Để hấp thụ và tăng trưởng tối ưu, mỗi loài thực vật có thể yêu cầu một tỷ lệ amoni và nitrat khác nhau. Như chúng ta sẽ thấy, tỷ lệ chính xác cũng thay đổi theo nhiệt độ, giai đoạn tăng trưởng, độ pH trong vùng rễ và tính chất của đất.
1. Chuyển hóa nitơ ở thực vật
Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của việc cây hấp thụ nitrat và amoni, chúng ta cần hiểu những cách khác nhau mà hai dạng nitơ này được chuyển hóa.
Ở hầu hết các loài thực vật, cả rễ và chồi đều có thể chuyển hóa nitrat mà cây hấp thụ; đầu tiên thành nitrit và sau đó thành amoni. Các quá trình này được kiểm soát bằng cách sử dụng các enzym. Việc nitrat được chuyển hóa ở rễ hay chồi phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm cả lượng nitrat cung cấp cho rễ và các loài thực vật. Khi mức độ nitrat bị hạn chế, nó sẽ nhanh chóng được chuyển hóa trong rễ. Khi có tỷ lệ lớn hơn, nitrat sẽ được vận chuyển đến chồi và chuyển hóa ở đó.
Sản phẩm trung gian nitrit có phản ứng cao và có khả năng gây độc cho cây trồng. Do đó, nó nhanh chóng được vận chuyển đến các bộ phận cụ thể trong tế bào thực vật để tách nitrit khỏi các quá trình quan trọng khác trong tế bào. Những phần này là bào quan của tế bào thực vật được gọi là lạp thể. Chúng có thể được tìm thấy trong hầu hết các tế bào của cây, từ rễ đến các lá trên cùng. Trong rễ, lạp thể thường được dùng để dự trữ đường. Trong lá, lạp thể phổ biến nhất là lục lạp, nơi diễn ra quá trình quang hợp. Nitrit được chuyển thành amoni trong lạp thể.
Quá trình chuyển đổi nitrat thành amoni xảy ra trong lá là một quá trình được thúc đẩy bởi năng lượng mặt trời, làm cho nó trở thành một quá trình tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, trước hết amoni trong rễ phải được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ N. Quá trình này được thúc đẩy bởi carbohydrate và do đó xảy ra với các quá trình sống khác của thực vật, chẳng hạn như sự phát triển của cây và sản xuất trái cây. Những loại đường này phải được đưa từ nơi sản xuất của chúng qua lá, xuống rễ trước tiên.
Bước cuối cùng trong quá trình chuyển hóa nitơ là chuyển đổi tương đối nhanh chóng amoni thành glutamate, một axit amin chính có thể được sử dụng làm nguồn cung cấp các axit amin khác và như một khối xây dựng cho protein và enzym.
Hình 2: Hầu hết các loài thực vật có thể chuyển hóa nitrat ở cả lá và rễ. Nitrat có được chuyển hóa ở rễ hay lá hay không phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm cả mức nitrat cung cấp cho rễ. Ở mức giới hạn của nitrat, nó sẽ nhanh chóng được chuyển hóa trong rễ. Ở tỷ lệ lớn hơn, nitrat được vận chuyển đến chồi và chuyển hóa ở đó.
2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp thụ nitơ
Hình 3. Nhiệt độ ảnh hưởng tới hấp thụ đạm
Nhiệt độ cao hơn thường làm tăng sự trao đổi chất của thực vật và do đó sử dụng năng lượng của nó. Quá trình này còn được gọi là quá trình hô hấp. Đường được tiêu thụ nhanh hơn, làm cho chúng ít có sẵn để chuyển hóa amoni trong rễ. Đồng thời, ở nhiệt độ cao, khả năng hòa tan của oxy trong nước giảm đi, làm cho nó cũng ít hơn. Do đó ở nhiệt độ cao hơn, tỷ lệ amoni / nitrat thấp hơn dường như là một lựa chọn hiển nhiên.
Ở nhiệt độ thấp hơn, dinh dưỡng amoni có thể là lựa chọn thích hợp hơn, vì oxy và đường có sẵn nhiều hơn ở mức rễ. Ngoài ra, vì việc vận chuyển nitrat đến lá bị hạn chế ở nhiệt độ thấp, việc bón phân dựa trên nitrat sẽ chỉ làm chậm sự phát triển của cây. Ảnh hưởng của nhiệt độ chất nền cũng phụ thuộc vào loài thực vật.
Sự hấp thụ nitơ cụ thể của các loài thực vật
Khi nồng độ amoni cao hơn, đường cần được vận chuyển từ lá xuống rễ để chuyển hóa amoni. Ở các cây ra hoa và đậu quả, chẳng hạn như cà chua và dưa chuột, và các cây mà phần lớn sự phát triển ở lá (ví dụ như bắp cải, rau diếp,…) đường được tiêu thụ nhanh chóng gần nơi sản xuất của chúng và ít có sẵn để vận chuyển đến rễ.
Trong trường hợp này, amoni sẽ không được chuyển hóa hiệu quả và nên sử dụng tỷ lệ amoni / nitrat thấp hơn.
3. Ảnh hưởng của tỷ lệ amoni / nitrat đến pH trong vùng rễ
Sự cân bằng điện trong tế bào rễ phải được duy trì, do đó, đối với mỗi ion tích điện dương được đưa lên, một ion tích điện dương được giải phóng vào đất và điều này cũng đúng đối với các ion mang điện tích âm. Điều này có nghĩa là khi cây hấp thụ amoni (NH4 +), nó sẽ giải phóng một proton (H +) vào dung dịch đất. Sự gia tăng nồng độ proton xung quanh rễ làm giảm độ pH xung quanh rễ (có tính axit hơn).
Tương tự, khi cây hấp thụ Nitrat (NO3-), nó sẽ giải phóng bicarbonat (HCO3-), làm tăng độ pH xung quanh rễ (có tính kiềm hơn).
Ảnh hưởng của sự hấp thụ amoni và nitrat đặc biệt quan trọng trong môi trường ít đất, ở đó rễ cây có thể ảnh hưởng đến độ pH của môi trường nhanh hơn vì thể tích của chúng tương đối lớn so với thể tích của môi trường. Để ngăn ngừa độ pH của môi trường thay đổi quá nhanh, tỷ lệ amoni / nitrat thích hợp và nhiệt độ chất nền là điều cần thiết, tùy theo giai đoạn phát triển của cây.
Hình 4: Quá trình nitơ đi qua hệ sinh thái. Nitơ (ví dụ bón bằng phân bón) được thực vật hấp thụ và biến thành các hợp chất hữu cơ (chẳng hạn như protein) trong mô thực vật. Cuối cùng, nitơ được trả lại cho đất. Khi sinh vật chết đi, nó được chuyển đổi trở lại dạng vô cơ bởi các chất phân hủy.
4. Các quá trình chuyển hóa nitơ trong đất
Hình 5: Gốc xà lách này bị biến màu vì nhiễm độc amoni. Ngộ độc amoni xảy ra khi đất nguội và
bề mặt đất bị bịt kín hoặc nén chặt, dẫn đến tốc độ nitrat hóa chậm. Rối loạn này cũng có thể xảy ra ở
những ruộng có đất thoát nước kém, úng. Việc sử dụng phân bón có chứa amoni cũng có thể góp phần gây ra độc tính amoni.
Như đã giải thích trước đó, sự hấp thụ amoni thường làm cho độ pH của đất ở vùng rễ giảm xuống, trong khi sự hấp thụ nitrat làm tăng độ pH của đất. Tuy nhiên, trong một số điều kiện nhất định, độ pH có thể không đáp ứng như mong đợi do hoạt động của vi sinh vật xung quanh rễ. Hầu hết các quá trình liên quan đến amoni và nitrat là một phần của chu trình nitơ (hình 2). Bước quan trọng nhất là quá trình oxy hóa sinh học amoni thành nitrat, được gọi là quá trình nitrat hóa. Quá trình này bao gồm nhiều bước khác nhau và được thực hiện bởi các vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng, bắt buộc, nghĩa là cần có oxy. Thực vật hấp thụ nguồn nitơ của chúng dưới dạng nitrat chứ không phải amoni, làm tăng hiệu quả độ pH trong vùng rễ.
Quá trình nitrat hóa có thể dễ dàng bị xáo trộn, và những xáo trộn như vậy thường dẫn đến tích tụ amoni trong đất. Một trong những nguyên nhân là do độ pH của đất thấp, hạn chế sự chuyển hóa nitơ bằng cách làm giảm quá trình oxy hóa amoni của vi sinh vật.
Thứ hai, như đã đề cập trước đó, chuyển amoni thành nitrat trong đất cần oxy. Trong đất rất ẩm ướt, hàm lượng không khí giảm xuống thường có nghĩa là ít oxy có sẵn trong đất. Trong điều kiện thiếu oxy, hoạt động của vi sinh vật thường thấp, có nghĩa là ít amoni chuyển hóa thành nitrat và tích tụ amoni.
Các vi sinh vật trong đất cần chất hữu cơ (xác thực vật, mùn) làm nguồn cacbon. Trong đất nghèo dinh dưỡng, ít chất hữu cơ như đất cát, sự phát triển của vi sinh vật và do đó quá trình nitrat hóa bị hạn chế. Nhiệt độ đất thấp cũng có thể làm giảm quá trình nitrat hóa, do hoạt động của vi sinh vật trong đất thấp.
Đạt được tỷ lệ nitrat / amoni tối ưu trong thủy canh
Hình 6. Tỉ lệ Amoni và Nitrat cho rau thủy canh
Trong thủy canh, lượng NH4 + tiêu chuẩn được thêm vào dung dịch dinh dưỡng để nuôi cấy không cần đất chiếm từ 5 đến 10% tổng lượng N cung cấp, chúng sẽ hiếm khi vượt quá 15%. Đối với hoa hồng, tỷ lệ này có xu hướng khoảng 25% trong giai đoạn sinh dưỡng, trong khi đối với dưa hấu, tỷ lệ này có xu hướng là 0% trong quá trình phát triển của quả. Việc điều chỉnh mức độ NH4 + được cung cấp trong quá trình sinh trưởng của cây trồng đơn giản chỉ xảy ra liên quan đến nồng độ pH trong môi trường rễ. Việc bổ sung NH4 + làm giảm độ pH trong môi trường rễ, do tăng sự hấp thụ cation (NH4 +) và giảm sự hấp thụ anion (NO3-). Khi NH4 + được hấp thụ, cây sẽ giải phóng H + để duy trì tính trung hòa về điện của cây, điều này làm cho pH trong môi trường rễ thấp hơn. Mức độ pH tối ưu trong dung dịch chất nền nằm trong khoảng từ 5 đến 6 đối với hầu hết các loại cây trồng.
Như đã giải thích trước đó, việc bổ sung NH4 + để thay thế NO3- trong hệ cơ chất có thể làm giảm sự hấp thu các cation khác, như K +, Ca2 + và Mg2 +, điều này có thể được giải thích là do sự cạnh tranh cation giữa NH4 + và các cation này. Mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như cây trồng, điều kiện trồng trọt và những điều chỉnh được thực hiện trong sự cân bằng ion của các chất dinh dưỡng. Do đó, khuyến cáo sử dụng cẩn thận NH4 + cho các loại cây trồng nhạy cảm với sự thiếu hụt canxi. Điều này đặc biệt đúng khi những cây trồng như vậy được trồng trong điều kiện khí hậu làm giảm sự vận chuyển canxi đến trái cây. Ví dụ điển hình về điều này là sản xuất cà chua và ớt ngọt trong điều kiện khô và nóng. Cả hai loại cây trồng đều nhạy cảm với bệnh thối hoa, do thiếu canxi trong trái, bị kích thích bởi khí hậu khô nóng.
